黄南水库堆石坝碾压试验和检测分析

江浙飏

(水利部农村电气化研究所，浙江 杭州 310012)

1 工程概况

黄南水库工程位于浙江省松阳县境内小港中段黄南村上游约400 m处峡谷河段，坝型为混凝土面板堆石坝，坝顶高程337.00 m，防浪墙顶高程337.50 m，坝顶宽度10.00 m，坝顶长度267.00 m，坝基趾板最低高程240.00 m，相应最大坝高97.00 m，上、下游坝坡均为1∶1.4，下游坝坡为混凝土格网生态护坡。

坝体堆石根据对坝料渗透性、压缩性的不同要求分区填筑，分层碾压，自上游至下游依次分为四个主要填筑区：垫层区、过渡层区、主堆石区和下游堆石区，另在面板周边缝附近设特殊填筑区(2B区)及在施工滑模坝顶高程332.00 m以上设坝顶静碾区，下游坝坡设护坡。坝顶设厚20 cm的C25F50混凝土路面，其底部设厚15 cm的碎石垫层，垫层下部为坝顶静碾堆石区。本次堆石坝碾压试验以特殊垫层区的设计要求进行，试验段料源为溢洪道开挖可用料及料场石料。

2 试验目的和要求

2.1 试验目的

现场碾压试验是通过一定的方法检验、修正设计提出的坝料填筑标准，确定经济合理的铺料方式、碾压程序、碾压施工参数，选择适宜的碾压机械设备，优化施工参数，制定填筑施工实施细则与技术要求，提出施工质量控制的技术标准与检验方法，长期以来采用灌水(砂)法[1-2]，近年也有学者提出表面沉降法[3]、压实计(CMV)法[4]、小型载荷试验(K30)法[5]及离散元法[6]等。黄南水库面板堆石坝试验主要采用灌水法，并考察堆石体沉降，达到以下目的：

(1)通过物理、力学性能的试验成果，验证堆石料设计参数的可行性；

(2)验证特殊垫层区设计技术指标及填筑标准的合理性、可用性；

(3)确定特殊垫层区的最佳压实方法(包括选择碾压设备类型、机械参数、碾压遍数、铺料厚度、洒水量等施工参数)；

(4)选择可行的施工碾压参数。

2.2 堆石料设计指标及相关要求

(1)开采料堆石的饱和抗压强度应大于等于60 MPa，软化系数大于0.80；

(2)最大粒径不大于40 mm，小于0.075 mm的颗粒含量不大于8%，不均匀系数CU>30，曲率系数CC=1%～3%。

2.3 填筑标准及要求

(1)孔隙率≤16%；

(2)设计技术要求详(见表1—2、图1)。

表1 堆石体设计技术指标

表2 堆石体设计级配

图1 堆石体设计包络线

3 试验前准备工作

3.1 碾压试验检测工作量

碾压试验检测工作量(见表3)。

表3 碾压试验检测工作量

3.2 料源准备

自备轧石厂生产砂石骨料后，经检测符合设计技术要求的石料作为碾压试验料源。

3.3 备料规划及要求

试验用料根据试验实际情况设置备料场堆放，部分直接从轧石场直接运至碾压场地。备料场布置在碾压试验场附近，便于试验用料的运输，堆石料备料场的面积规划为1 000 m2，另外备料场进行了分区，不同类别的料必须分别堆存，各区之间有足够的间距。备料场地进行碾压处理以使地面坚实平整。

堆石料试验用料应数量充足，且经过含水率、颗粒级配、岩石强度和软化系数检测合格。

3.4 试验场地

试验场地模拟大坝填筑施工情况，位于大坝坝区上游自备轧石厂附近已完成开挖的坡脚处，场地总体面积为400 m2。根据前期沉降观测数据成果分析，经过雨季沉降，场地沉降变形基本稳定，满足碾压试验场地的技术要求。

(1)场地坚实平整，采用20 t自行式振动平碾按2～3 km/h的速度碾压，根据测量沉降资料结果看，碾压2遍后全场平均沉降量小于2 mm；整场高差小于20 cm且局部起伏差小于5 cm。

(2)在场地碾压完毕后，摊铺一层试验料，压实到设计标准，将这一层作为基层，然后在其上进行碾压试验。

(3)一个试验区规格为12 m×16 m(宽×长) ，面积为192 m2。

(4)试验铺料要求

由于碾压时产生侧向挤压，因此试验区的两侧(垂直行车方向)留出了一个碾宽。顺碾压方向的两端留出了4～5 m作为非试验区，以满足停车和错车需要。

3.5 碾压前试验检测

本次碾压试验在碾压前对特殊垫层区进行了3组含水率试验、3组颗粒级配试验；2组岩石强度及软化系数试验；比重试验。其检测结果统计(见表4—6、图2)。

从表4—6和图2中看出，碾压试验材料试验结果满足要求。

表4 碾压前颗粒级配试验结果统计表

表5 岩石抗压强度数据统计表

表6 比重检测结果统计

图2 碾压前颗粒分析曲线

4 碾压试验

压实参数包括机械参数和施工参数两大类。其中碾压设备为20 t自行式振动碾，施工参数包括铺料厚度、碾压遍数、行车速度、含水量等。

试验组合方法采用淘汰法，即每次只变动一项参数，固定其他参数，通过试验求得该项参数的适宜值，再变动另一项参数，求得另一项施工参数的适宜值，最终通过试验得到的填筑材料的各项最佳施工参数。待各项参数选定后，用选定参数进行复核试验。

碾压设备采用20 t自行式振动平碾，碾压参数为4种组合行车速度按2～3 km/h(超过3 km/h报警)进行控制。碾压遍数与沉降量关系曲线未趋于收敛时，增加碾压遍数，继续试验直至收敛，根据试验结果进行不同加水量的试验复核。

为保证沉降观测准确，在振动碾振动影响范围之外的碾压场附近设置2个测量基准点，在碾压试验单元内以2 m×2 m的方格网布置沉降测点。沉降测量碾压数遍后对试验单元内全部测点进行一次高程测量，整个场次碾压完成后的数据为一个场次。

测量测点布置采用2 m×2 m的方格网，根据不同的铺料厚度和碾压遍数，以铺料厚度20 cm、碾6遍为例，每个区布置48个测点。测点采用白灰标识，碾压两遍后仍按标识测量，如有损毁重新标识测量。

(1)铺料前测量

采用徕卡(TS09)全站仪和中伟水准仪进行场地测量，记录其测点坐标及高程，取得铺料厚度计算初始值。

(2)碾压前测量

铺料完成后，在试验段内按照均匀分布的方格网进行测量，记录其坐标和高程，测算其铺料厚度，并为计算碾压沉降值提供初始值。

(3)碾压过程中

测量碾压过程中碾压遍数每增加2遍，由测量进行方格网测量，并记录碾压过程中的测量值。

(4)碾压后测量

碾压结束后，根据方格网点测量其高程值，求得碾压沉降量。

5 碾压试验成果

使用方格网测量，不同铺料厚度与碾压遍数的沉降量(见表7)，沉降率(见表8)，沉降率与碾压遍数、铺料厚度关系曲线图(见图3)。

表7 各级碾压遍数下的沉降量汇总表

表8 各级碾压遍数下的沉降率汇总表

图3 沉降率与铺料厚度关系曲线图

本次碾压试验2个碾压组合，碾压后每个组合取现场密度3组，其检测结果(见表9、图4)。从表9试验结果分析可得出，特殊垫层区当铺料厚度为20 cm时，碾压遍数振碾4遍和6遍时孔隙率满足设计技术要求，但碾压4遍孔隙率满足设计要求，富裕系数足够；铺料厚度为20 cm时碾压6遍满足设计要求、富裕系数过大；故特殊垫层2B区选择铺料厚度为20 cm，20 t自行式振动碾碾压4遍组合进行不同加水量(4%、5%)的试验复核，结果(见表10)。

图4 碾压后颗粒级配曲线

表9 现场密度试验检测成果统计表

表10 现场密度复核试验检测成果统计表

从表10的成果分析， 5%加水量试验成果满足设计孔隙率的要求。

采用20 t式振动碾在铺料厚度为20 cm遍数振碾4和6时孔隙率满足设计技术要求，碾压4遍时孔隙率≤16%，满足设计要求，富裕系数达标，碾压6遍时满足设计要求，富裕系数达标，孔隙率≤16%。但从施工进度方面考虑，确定碾压4遍为特殊垫层区的施工碾压遍数。特殊垫层区加水量试验成果均满足设计要求。

本次碾压试验采用20 t自行式振动碾(型号为XS202J)，碾压宽度为2 350 mm，振力为353 kN。行车速度为2～3 km/h，采用低频高振碾压。

根据上述对比试验结果，最终确定具体施工参数(见表11)。

表11 施工工艺参数确定表

6 结论与建议

(1)堆石体碾压试验是堆石坝填筑质量检测的重要内容，在填筑每层每单元均要进行压实度、容重、空隙率等指标的检测，并根据料场的情况及时修正控制参数，在控制较理想的情况下，可适当减少施工过程中的挖坑检测数量。

(2)灌水法较适用于堆石体碾压试验，在效率、准确度上均有优势。从黄南水库面板堆石坝碾压试验结果来看，采用20 t振动碾、层厚200 mm、加水5%、碾压4遍，可以达到要求。

(3)结合料场的爆破试验，选取稳定的料场和较稳定的爆破参数，取得的碾压试验参数在施工过程中会取得较好的控制效果。